最新Nature：液体环境透射电镜合成亚稳态氢化钯

一、【导读】

在自然界中，动力学上的优势结构——亚稳相无处不在。由高能量前驱体生长的晶体受初始条件，如温度、压力或晶体尺寸等的影响，并不形成热力学稳定的基态结构，而是采用亚稳态结构，随着晶体的进一步生长，它们通常会经历一系列的转变，从亚稳相到低能相直至能量稳定相。

亚稳相因其优越的物理化学性质，而成为材料科学创新中待开发的研究对象。然而，对亚稳态材料的探索目前主要是基于“经验法则”，即经验、直觉甚至是推测。因此，研发一种基于理性设计的新模式去发现新的亚稳态相是十分必要的。

二、【成果掠影】

近日，韩国浦项科技大学的Chang Yun Son、韩国先进技术研究所的Yongsoo Yang、韩国科学技术研究院的Young-Su Lee和 Dong Won Chun、 Sung Jong Yoo及其团队在Nature上发表题为“Metastable hexagonal close-packed palladium hydride in liquid cell TEM”的研究成果。文章报道了利用液体环境透射电镜合成亚稳态的六方密排(hcp)氢化钯(PdH_x)。溶液中前驱体浓度的独特相互作用能够稳定亚稳态hcp结构：氢(H)足量，有利于亚纳米尺度上hcp结构的形成，而Pd不足，会抑制晶体的进一步生长和向热力学稳定的面心立方结构的转变。这些研究发现为亚稳态设计策略提供了热力学参考，可用于发现新的亚稳态相。

三 、【核心创新点】

√石墨烯液体电池(GLC)通过液体电池透射电镜合成了亚稳态六方密排(hcp) PdH_x纳米粒子

√基于EAM的经典Pd-H原子间势分析了不同堆积方式的块状晶体PdH_x稳定性，进而预测了PdH_x的晶格常数和弹性性质

四、【数据概览】

图1  hcp Pd纳米粒子在GLC中的原位和非原位TEM分析 © 2022 Springer Nature

图2  模拟预测fcc/hcp PdH_x纳米颗粒的热力学稳定性 © 2022 Springer Nature

图3  EDR、Pd溶液浓度和液槽类型对纳米颗粒结构的影响 © 2022 Springer Nature

图4  PdH_x纳米颗粒的三维单原子级结构分析 © 2022 Springer Nature

五、【成果启示】

本研究中制备了一种新型的亚稳hcp-PdH_x，液相池中Pd前体数量有限和H的持续供给的独特环境，促使hcp相的形成。MC模拟表明，纳米级hcp PdHx稳定的关键是H原子的不规则分布。此外，结合液体环境透射电镜(TEM)和原子电子断层扫描(AET)判断，Pd不足会促进多步成核和晶体生长，进而保持了完整的亚稳态相。亚稳态hcp-PdHx比fcc PdHx具有更好的H容量和更强的H结合力，hcp或fcc晶体结构可以通过调节TEM液体池内的H和Pd浓度来调节控制。

这一发现为新型储能材料的设计和合成提供新的参考。例如，与传统的制备工艺相比（嵌入和溶解驱动的相变），在高浓度的H或Li下，制备用于存储氢的材料或锂离子电池电极材料可能会产生新的亚稳态相。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04391-5

本文由try or fly供稿。